Les nanostructures auto-organisées sont essentielles dans le domaine des nanotechnologies, car elles fournissent un moyen simple de créer des structures périodiques avec des dimensions nanométriques. Dans ce travail, nous introduisons une nouvelle méthode de préparation de la surface Cu(110)-(2×1)O, qui permet un contrôle de sa morphologie. La périodicité varie de 6.5 à 11 nm pour recouvrement en oxygène entre 0.1 et 0.4 (saturation est 0.5). On a obtenu des périodicités allant jusqu'au 100 nm. La préparation est basée sur la pré-adsorption de faibles quantités de soufre. La présence de soufre change les propriétés élastiques et/ou électrostatiques de la surface et modifie ainsi son auto-organisation. Nous avons effectué une étude détaillée au moyen de la microscopie à effet tunnel (STM) et développé un modèle mathématique décrivant nos données expérimentales. Une surface auto-organisée accordable fournit un système idéal pour étudier l'interaction entre la réactivité et la structure. Nous avons étudié la sulfuration sur la surface nanostructurée, Cu(110)-(2×1)O. Le mécanisme réactionnel dépend de la largeur des bandes oxydées. Sulfuration d'une nanostructure à bandes CuO étroites conduit au détachement de chaînes reconstruites Cu-O et dans le cas de bandes larges, le mécanisme réactionnel est une combinaison du détachement de chaînes et de la formation d'îlots de la phase S-c(2×2) sur les bandes CuO. Nous présentons une étude STM de la formation de ces îlots, ainsi que leur stabilité sous ultra vide. Les îlots sont mobiles et subissent une maturation (Ostwald et Smoluchowski). Dans le cas d'une surface pas complètement saturé, les îlots disparaissent progressivement. / Self-organized nanostructures are essential for the field of nanotechnology, since they provide a simple way to create periodic structures with nanodimensions. In the present work, we have developed a new preparation method for the Cu(110)-(2×1)O nanostructure, which allows tuning of its morphology. For oxygen coverages between 0.1 and 0.4 (saturation coverage 0.5), the periodicity of the nanostructure varies from 6.5 to 11 nm. We have been able to expand the possibilities of the system and reach periodicities up to 100 nm for half oxygen coverage. The preparation method consists in co-adsorption of low amounts of sulfur. We have shown that the presence of sulfur influences the elastic and/or electrostatic properties of the surface and thus changes its self-organization. We present a detailed scanning tunneling microscopy (STM) study of this new preparation method and a mathematical model describing our experimental data. A tunable self-organized surface provides an ideal playground for testing the reactivity and structure interplay. We introduce a study of the sulfidation of the nanostructured Cu(110)-(2×1)O surface. The reaction mechanism has been found to depend on the width of the oxidized stripes. Sulfidation of narrow CuO stripes proceeds via Cu-O chain abstraction and in the case of wide CuO stripes, the reaction mechanism is a combination of the chain detachment and S-c(2×2) island formation on the CuO stripes. We present a thorough STM study of the S island formation and their stability under UHV conditions. The S islands are mobile and undergo ripening (Ostwald and Smoluchowski). Additionally, island decay has been observed for sub-saturation S coverages.

Dans les supraconducteurs de type II, le champ magnétique pénètre le matériau sous forme de vortex, tourbillon de courants supraconducteurs circulant autour d'un c¿ur normal. Dans les travaux de cette thèse, nous montrons comment le confinement d'un système à une échelle comparable à la longueur de cohérence ? nanométrique modifie sensiblement ses propriétés supraconductrices.Cette étude est menée dans des nanostructures de plomb déposé in-situ sur un substrat de silicium (111), puis mesurées par spectroscopie à effet tunnel, sous UHV, à 300 mK et sous champ magnétique.En confinement extrême (taille latérale D<<10 ?), le système créé des vortex Géants, objets quantiques prédits théoriquement depuis 45 ans. En confinement plus faible (D~10 ?), les vortex peuvent être piégés, s'organisent ensuite en réseau triangulaire d'Abrikosov, puis s'interpénètrent avec le champ magnétique croissant.Les îlots de Pb cristallins supraconducteurs sont reliés entre eux par une monocouche de mouillage de Pb, ici désordonnée et non supraconductrice. Au voisinage des îlots, cette couche acquiert des caractéristiques spectroscopiques spécifiques qui reflètent la supraconductivité induite par proximité et les interactions entre électrons de type Altshuler-Aronov. L'évolution spatiale des spectres tunnel sont simulés en combinant les équations d'Usadel et la théorie du blocage de Coulomb dynamique.En réduisant la distance entre les îlots, l'effet de proximité autour de chacun se recouvre, ce qui forme une jonction Josephson. Sont étudiés finement le nombre, la position, le spectre et la forme des c¿urs de vortex Josephson sous champ magnétique, à travers une grande panoplie de jonctions. / In type II superconductors, the applied magnetic field penetrates the material in quanta of flux called vortices, vortices of superconducting currents circulating around a normal core. In the work of this thesis, we show how the confinement of a system to a scale comparable to the nanometric coherent length ? substantially modifies its superconducting properties.This study is carried out in nanostructures of lead deposited in-situ on a silicon (111) substrate, then studied by scanning tunneling spectroscopy, under UHV, at 300 mK, and under magnetic field. In extremely confinement (lateral size D<<10 ?), systems create Giant vortices, quantum objects predicted 45 years ago. In the weakly confinement (D~10 ?), vortices may be pinned, then are organized in the triangular Abrikosov lattice, finally interpenetrate in surface superconductivity with the increasing magnetic field. Crystalline superconducting Pb islands are here connected by a disordered non-superconducting wetting layer of Pb. In the vicinity of each superconducting island, the wetting layer acquires specific tunnelling characteristics which reflect the interplay between the proximity induced superconductivity and the inherent electron correlations of this ultimate diffusive two-dimensional metal. Spatial evolution of the tunnel spectra are simulated by combining the Usadel equations and the theory of dynamic Coulomb blockade. With reducing the distance between the islands, the proximity effect around each overlaps and forms a Josephson junction. Thanks to the tunneling spectroscopy, number, position, the spectrum and the form of Josephson vortex cores are studied in detail for a large variety of junctions.

Les résultats décrits dans cette thèse démontrent une relation complexe entre le confinement géométrique de molécules à 2D et les propriétés de chiralité. Il a été démontré qu’une chiralité multimodale peut être observée pour des systèmes non chiraux par le biais du confinement 2D. Les molécules H5T forment, sur Au(111), des domaines pour lesquels deux types de chiralité peuvent être observés. Les études sur le système H5T/Au(111) ont prouvé que des interactions simples, de type van der Waals sont susceptibles de créer des chiralités complexes, ce qui donne un caractère générique a ce type de phénomène. Une autre question importante est l’apparition, pour les molécules C-12, des domaines chiraux induits par des interactions intermoléculaires spécifiques: les liaisons hydrogène entre les groupements azobenzènes de molécules voisines. L’orientation des deux domaines chiraux est déterminée par l’orientation de l’un des deux dimères d’azobenzène stable par rapport à l’Au(111).La seconde partie de la thèse est dédiée à l’étude de l’influence du confinement 3D sur la chiralité de gouttes de cristal liquide cholestérique (CLC). Grâce à la nature photo-sensible du dopant chiral utilisé, nous avons été capables de modifier le pas choléstérique du mélange de CLC et par conséquent de déterminer l’expression de la chiralité pour un ratio rayon/pas choléstérique variable. Nous sommes parvenus à contrôler le pas choléstérique au sein de gouttes par irradiation UV et nous avons étudié les variations structurelles que l’irradiation induite. Nous avons observé que le confinement 3D d’un mélange de CLC photo-sensible a une influence positive sur l’inversion de l’hélice dans la goutte. / The first part of the thesis is devoted to studies of the self-assembled monolayers of discotic liquid crystals by the STM measurements at the liquid/solid interface. For the case of a model H5T molecule the self-assembled monolayers have evidenced both: point and organizational types of chirality, despite of the fact that neither the molecule nor the substrate was chiral. For another molecular system, C-12 - a triphenylene peripherally substituted with azobenzene moieties, self-assemblies bearing the chiral nature were also evidenced. Chirality was induced by formation of six dimers of azobenzene subunits coming from the neighboring molecules, which formed “rosettes” of clockwise or counter-clockwise rotation. For the H5T, the chirality was mediated by classical van der Waals interactions between molecules and between molecules and substrate. In the case of C-12 it was shown that the self-assembly originates from the substrate-mediated hydrogen bonding between the azobenzene moieties of neighboring molecules. The second part of the thesis presents studies of the influence of the 3D confinement on the chirality of the photoactive cholesteric liquid crystal (CLC) droplets. Due to the photo-responsive character of a chiral dopant we were able to modify the cholesteric pitch of the CLC mixture and thus to map the expression of chirality for a varying geometrical confinement parameter: radius-to-pitch. We evidenced a successful control of the droplets structure by UV irradiation and we studied the induced structural changes. In particular, the 3D confinement of a photo-responsive CLC mixture was shown to positively support the helix inversion within the cholesteric droplets.

La demande des composants chimiques énantiopurs dans le secteur pharmaceutique est une des forces qui motive la recherche dans la création des catalyseurs homochiraux à la surface. La catalyse hétérogène est une méthode prometteuse pour la fabrication des produits énantiopurs puisqu'elle porte des avantages tels que la facilité de la séparation des produits désirés, la réutilisation du catalyseur et l'adaptabilité dans différentes conditions de la production en continu. La réaction d'Orito est un des exemples de la réaction hétérogène énantiosélective la plus réussie. Elle concerne l'hydrogénation de α-cétoesters sur des particules de platine modifiées par le cinchona. Il est généralement accepté que des modificateurs cinchona tels que la cinchonidine ou la cinchonine transfère la chiralité en formant des complexes bimoléculaires (complexes 1 :1) avec des réactifs prochiraux sur la surface. La compréhension de la catalyse asymétrique hétérogène au niveau fondamental est insu sante. Par contre, c'est aussi une zone fertile pour la découverte. Du progrès dans le domaine peut être réalisé par des travaux complémentaires en catalyse, en sciences des surfaces et en calcul théorique. Cette thèse décrit les études en science des surfaces inspirées par des rapports dans la littérature sur la réaction d'Orito. En plus des alcaloïdes du cinchona, qui sont des produits naturels, certains nombres de molécules synthétiques sont également des modificateurs chiraux pour la réaction d'Orito. En particulier, Baiker et ses collègues ont enquêté sur la performance du 1-(1-naphtyl)éthylamine (NEA) optiquement pur en tant que modificateur chiral pour l'hydrogénation énantiosélective de cétopantolactone (KPL) en pantolactone sur le Pt/Al2O3.1 Une partie du travail décrit dans cette thèse est l'étude des complexes formés par l'interaction de (R)-NEA et KPL sur la surface de monocristal Pt(111). Le microscope à e et tunnel (STM) est utilisé pour acquérir un grand nombre d'images des complexes KPL/(R)-NEA. Les mesures sont effectuées sur un large rapport de couverture de KPL à (R)-NEA sur la surface. Un algorithme est développé pour accélérer le comptage et la catégorisation de la forme du grand ensemble d'images STM des complexes. L'abondance de plusieurs complexes distincts qui impliquent toute une liaison hydrogène NH···O est déterminée. La prochiralité de KPL dans ces complexes sont attribuées en référant des images STM simulées par théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Le rapport prochiral global (pr) mesuré dans l'expérience de la surface est comparé au rapport énantiomérique (er) mesuré par Baiker et ses collègues. Un autre algorithme est développé pour l'analyse des événements dynamiques des complexes diastéréomères individuels. Il est appliqué pour tester l'interconversion d'un état à l'autre état pendant la durée de vie de chaque complexe qui est observée par STM. Les résultats sont présentés pour les complexes formés entre 2,2,2-trifluoroacetophenone (TFAP) et (R)-NEA sur le Pt(111). Les complexes TFAP/(R)-NEA montrent des événements dynamiques qui sont décrits comme décomplexation, inversion prochirale sur site et migration intracomplexe. Les résultats sont discutés en référant les barrières énergétiques prédites par DFT pour l'hydrogénation et pour l'inversion prochirale sur site. Un rapport préliminaire présente les données quantitatives sur les interconversions des états aux états des complexes individuels des trois systèmes : TFAP/(R)-NEA, KPL/(R)-NEA et TFAP/8-Me-(R)-NEA. Le dernier modificateur de la surface concerne la substitution d'un méthyle à l'hydrogène à la position 8 du groupe naphtyle du (R)-NEA. Les observations sur les complexes KPL/(R)-NEA et TFAP/(R)-NEA sont résumés dans le contexte des données de science de surface précédemment publiées de notre groupe. La revue met l'accent sur le rôle des interactions secondaires, CH···O et CF···H, dans le contrôle stéréoscopique des molécules prochirales. / The demand for enantiopure compounds in the pharmacological sectorsisastrong driving force for research aimed at creating homochiral catalyst surfaces. Heterogeneous catalysts offer potential advantages over homogeneous catalysts including ease of separation of products from the catalyst and greater suitability for operations under continuous ow conditions. One of the most successful examples of a heterogeneous enantioselective reaction is known as the Orito reaction, the hydrogenation of α-ketoesters on cinchona modi ed platinum particles. It is believed that the cinchona modi ers operate chirality transfer by forming bimolecular surface complexes with prochiral reactants. At a fundamental level, heterogeneous asymmetric catalysis is a poorly understood area of surface chemistry. Hence, it is also a fertile area for discovery. Progress in the area can best be made by complementary work in catalysis, surface science and computation. This thesis describes surface science studies that were inspired by reports in the catalysis literature on the Orito reaction. In addition to cinchona alkaloids, which are natural products, a number of synthetic molecules have been shown to be effective chiral modifiers for the Orito reaction. In particular, Baiker and co-workers explored the performance of optically pure 1-(1-naphtyl)-ethylamine (NEA) as a chiral modifier for the enantioselective hydrogenation of ketopantolactone (KPL) to pantolactone on Pt/Al2O3.1 A major part of the work described in this thesis deals with the investigation of surface complexes formed through the interaction of (R)-NEA and KPL on single crystal Pt(111). Scanning tunnelling microscopy (STM) measurements were used to acquire a large number of images of KPL/(R)-NEA complexes. The measurements were performed over a wide ratio KPL to (R)-NEA surface coverage ratios. An algorithm was developed to enable accelerated counting and cataloguing of the large set of STM images of complexes. Therelativeabundancesofmultipledistinctcomplexationstates, allinvolvingNH·· ·O hydrogen bonding, were determined. The prochirality of KPL in these states was assigned by reference to density functional theory (DFT) simulated STM images. The overall prochiral ratio (pr) measured in the surface science experiment was compared to the enantiomeric ratio (er) measured by Baiker and co-workers. An algorithm was developed to investigate uxional events in individual diastereomeric complexes. It was applied to examine state-to-state interconversion occurring during the life times of complexes, as observed using time-lapsed STM measurements. Results are presented for complexes formed by 2,2,2-trifluoroacetophenone (TFAP) interacting with (R)-NEA on Pt(111). The TFAP/(R)-NEA complexes show dynamic events that we describe as decomplexation, on-site prochiral inversion and intracomplex migration. The results are discussed in relation to energy barriers predicted by DFT for hydrogenation and for on-site prochiral inversion. Quantitative data for state-to-state interconversion in single complexes are presented for three systems: TFAP/(R)-NEA, KPL/(R)-NEA and for TFAP interacting with methyl-substituted (R)-NEA. A preliminary analysis of the data is presented. The observations on KPL/(R)-NEA and TFAP/(R)-NEA complexes are reviewed within the context of previously published surface science data from our group. The review emphasizes the role of secondary interactions, CH···O and CF···H bonding, in the stereocontrol of prochiral molecules.

De nos jours, l’élaboration d’objets de dimensions nanométriques constitue un champ de recherches particulièrement prometteur pour la conception de systèmes de petite taille. La possibilité d’exploiter ces systèmes dans des applications telles que l’électronique moléculaire ou la modification des propriétés de surface a suscité l’engouement auprès de la communauté scientifique. Cependant, afin de construire des dispositifs électroniques complexes à partir de molécules organiques, l’assemblage covalent de briques moléculaires sur une surface est primordial. Les recherches menées dans le cadre de cette thèse portent sur l’élaboration de réseaux bidimensionnels à partir de briques moléculaires déposées sur surface. La réalisation de tels réseaux consiste d’une part, en la synthèse des différents précurseurs, et par la suite, au dépôt de ces briques moléculaires sur des surfaces métalliques ou de graphite. La croissance de ces réseaux est contrôlée en variant les conditions de dépôts qui s’opèrent dans un milieu sous-vide ou liquide. Le réseau peut être construit à partir d’un même précurseur, qui réagit dès lors sur lui-même pour former le réseau. Ainsi, des réactions telles que l’auto-condensation, la polymérisation oxydative ou encore la cyclotrimérisation sont abordées. De plus, les réactions entre deux précurseurs de natures différentes sont également décrites. Après la synthèse des briques moléculaires, leur étude sur surface est détaillée dont la caractérisation de réseaux est suivie par microscopie à effet tunnel. / Nowadays, the engineering of nanometer-sized systems is a promising field for the development of little-sized systems. The possibility of extending these systems to applications such as molecular electronics or surface property tuning has attracted much attention to the scientific community. However, in order to construct complex electronic devices from organic molecules, covalent assembly of building blocks on surface is primordial. The researches carried out in this work thesis rest on the construction of two-dimensional frameworks from molecular building blocks deposited on surface. The achievement of such networks consists, first of all, in the synthesis of different precursors and afterwards, in the deposition of these molecular buildingblocks on metallic or graphite surfaces. The growth of such networks is controlled by changing deposition conditions which occurs in ultra-high vacuum or in liquid media. The framework can be built from the precursor itself, which reacts with each other to give rise to the network. Reactions such as self-condensation, oxydative polymerization or either cyclotrimerization are broached. Moreover, reactions between two different precursors are also described. After molecular building block synthesis, on-surface study is detailed which framework characterization is followed by scanning tunneling microscopy.

Les azobenzènes sont des molécules photochromes très étudiées, leurs propriétés de photoisomérisation donnent notamment lieu à d’importants phénomènes de transport de matière photoinduit en milieu polymère. L’objectif de cette thèse est de mieux comprendre les différents paramètres régissant de tels effets photomécaniques. Pour ce faire, nous avons entrepris des études sur des monocouches de dérivés azobenzenes auto-assemblés ou SAMs (Self-Assembled Monolayers) sur substrats d’or atomiquement plans, de façon à pouvoir réaliser à la fois des caractérisations d’ensemble (propriétés de mouillage : mesures d’angles de contact) ou des caractérisations à l’échelle de la molécule individuelle (par microscopie à effet tunnel, STM). Nous avons choisi le système d'un alcane thiol fonctionnalisé par un azobenzène pour bénéficier de la facilité que possèdent les alcanes thiols à former des SAMs hautement organisées. L'autre avantage que propose ce système est de pouvoir jouer avec la longueur de la chaîne carbonée, ce qui permet d'espacer plus ou moins le groupe photo-actif de la surface métallique du substrat d'or. Ainsi ces systèmes paraissent bien adaptés pour identifier l’influence de paramètres tels que (1) les phénomènes de transferts d’énergie ou de charges pouvant exister entre molécules ou entre molécules et substrat et (2) les problèmes éventuels de gêne stérique.Nous avons étudié des azobenzenes greffés (1) sur une courte chaîne alcanethiol (3 atomes de C - "azoc3"), et (2), sur une chaîne plus longue (12 C - "azoc12"). Les caractérisations STM ont mis en évidence un réseau dense similaire aux alcanes thiols non substitués dans le cas des "azosc3" mais aucune modification sous éclairement n’a été observée. Des mesures d’angle de contact, utilisant le changement de polarité entre les photoisomères Trans et Cis, confirment cette absence de réaction pour ces SAMs. Une photo-réactivité a par contre été mise en évidence par des mesures d'angle de contact pour l’espaceur long ("azoc12") sur des substrats d’or polycristallins. Les raisons d'un tel comportement proviennent des propriétés intrinsèques d'une SAM d'alcanethiol : un réseau très dense implique un volume libre restreint et d'importantes interactions intermoléculaires qui ajoutent des voies supplémentaires de désexcitation et donc inhibent les changements de conformation photo-induits, à l’exception des zones de défauts. Ces conclusions ont pu être étayées par des caractérisations complémentaires de fluorescence de SAMs similaires. Nous avons pu démontrer qu’un espaceur alcane correspondant à 11 C permettait un découplage électronique suffisant pour observer de la fluorescence sur des SAMs non denses de dérivés thiolés de fluorescéine. Ces études ont cependant confirmé la difficulté de contrôler la densité surfacique de molécules photosensibles (photochromisme ou fluorescence) insérées au sein de SAMs de thiols. A ce titre, nous avons pu démontrer l’intérêt d’un système moléculaire original possédant une accroche en surface d’encombrement supérieur à celui de la base soufrée des alcanes thiols. Ces systèmes se physisorbent sur des surfaces de graphite, leurs propriétés d’auto-assemblage étant également conservées dans le cas de substrat de graphène sur Cuivre. Ces feuillets possèdent l’avantage d’être facilement transférables sur des substrats transparents. Ces travaux offrent ainsi de nouvelles perspectives pour la réalisation d'expériences in situ simultanées couplant des analyses topographiques à l'échelle moléculaire via l’utilisation de sondes locales (STM ou AFM) et mesures optiques à plus grande échelle (microscopie optique inversée), ouvrant la voie à des caractérisations plus approfondies. / One of the most widely studied type of photochromic molecules are azo-dye molecules whose photo-isomerization reaction entails important mass transport processes in polymer matrices.The aim of this PhD Thesis was to get a better understanding of the key parameters controling such photomechanical properties. For this purpose, we have driven some studies on Self-Assembled Monolayers (SAMs) formed by azobenzene derivatives grafted to alkanethiol linkers on atomically flat gold surfaces. Self-assembling offers the possibility to perform both scanning tunnelling microscopy (STM) experiments at the molecular scale and contact angle measurement at the macroscopic scale.A derivative alkanethiol system has been chosen to take benefit from the alkanethiol ability to form dense and regular self-assembled monolayers. Another interest of the alkanethiol linker is to easily adjust distance between the azo moiety and the gold surface through the length of the alkane chain. Then, this type of SAMs seems to be the good candidate to study the influence of (1) charges coupling effects between the neighbouring azo moieties and between the molecules and the metallic surface and (2) steric hindrance problems. Both a short (3 carbon atoms – “azoC3”) and a long (12 carbon atoms – “azo-C12”) alkane linker have more specifically been investigated. Although STM characterization have shown that azoC3 was organizing into a dense and regular packing showing a network quite similar to the one observed in the case of alkanethiols self-assembly, no modification could be evidenced upon illumination. Polarity modification between the trans and cis photoisomers, probed by wetting measurements, confirm the lack of photo-reactivity of these molecules grafted through a short linker to the metallic substrate. However, photo-isomerization effects have been observed at the macroscopic scale on polycristallines substrates for the long linker (“azo-C12”). The reasons for such behavior come from the intrinsic properties of alkanethiol SAMs: a dense network involves a restricted free volume and significant intermolecular interactions that add additional de-excitation channels thus leading to a quenching of the photoinduced conformational changes, except at surface defects areas. These findings have been supported by complementary characterizations of fluorescence of similar thiolates SAMs. We have demonstrated that an alkane spacer corresponding to 11 C was allowing electronic decoupling thus leading to fluorescent emission in the case of non-dense thiolated SAMs of fluorescein derivatives. However, these studies have also confirmed the difficulty to control the dilution of photosensitive molecules (photochromic or fluorescent) inserted within thiolated SAMs. In order to overcome this problem, we have demonstrated the interest of another original molecular system whose extended head group permits the formation of a network less densely-packed than those formed by alkanethiol derivatives. These molecular systems self-assemble by physisorption onto graphite (HOPG) substrates, their organization properties being also maintained for graphene sheets deposited onto copper substrates. Advantageously, these sheets can easily be transferred to transparent substrates. These studies open thus new perspectives for the realization of simultaneous in-situ experiments coupling molecular scale topography informations using local probe microscopy (AFM or STM) and larger scale optical measurents (inverted optical microscopy) towards more accurate characterizations.

Les nano-structures sont des systèmes physiques de premier intérêt pour les études de base et pour les applications, car elles montrent des effets quantiques comme le confinement, la discrétisation énergétique, la cohérence... Le comportement quantique des nano-dispositifs peut être cependant fortement influencé par le désordre, les effets thermiques et hors-équilibre. Dans cette Thèse, nous montrons, par exemple, comment la dissipation affecte le transport électronique dans les dispositifs supraconducteurs soumis aux fréquences micro-ondes.En utilisant un setup cryogénique AFM/STM fait maison, on peut étudier différents types de nano-structures. En premier, nous nous occupons de la réalisation d'un transistor à électron unique avec une sonde locale. Les nano-particules métalliques sont bien connues pour leur comportement comme boîtes quantiques zéro-dimensionnelles (QD), elles montrent du confinement quantique et des effets de charge, que l’on retrouve aussi dans nos mesures de microscopie à sonde locale à basse température. Nous démontrons comment un nouveau procédé de nano-fabrication peut être mis en œuvre avec l'introduction d' une électrode de grille suffisamment mince et sans-fuite, ce qui pourra fournir un réglage de précision des propriétés de la boîte quantique et permettre l'exploration résolue spatialement des phénomènes quantiques dans différents régimes de couplage. En deuxième, nous étudions le graphène épitaxial sur SiC comme un matériau 2D très prometteur pour l'électronique. En particulier, les nano-rubans de graphène obtenus par croissance épitaxiale sur des parois inclinées (GNRs) sont des nano-structures d'intérêt fondamental qui peuvent fournir un accès direct et contrôlable au graphène neutre. À cause du confinement quantique, ces systèmes peuvent montrer du transport balistique exceptionnel à température ambiante. Nous réalisons une technique novatrice de potentiométrie à sonde locale qui nous permet une résolution spatiale à l'échelle du nm et une résolution en tension à l'échelle du µV. Le potentiel locale et la résistance locale mesurés sur un dispositif unique basé sur des nano-rubans de graphène nous donnent des indications claires de transport non-diffusif.La physique explorée, les méthodes ainsi que les technique développées dans cette Thèse peuvent donc fournir des nouvelles visions aux nombreux (et assez divers) sujets en vogue. / Nanostructures are physical systems of paramount interest for both fundamental studies and applications, since they display quantum effects such as confinement, energy discretization, coherence…The quantum behavior of nano-devices can however be strongly influenced by disorder, thermal and non-equilibrium effects. In this Thesis, we show, for instance, how dissipation deeply affects the electron transport in superconducting nano-devices at microwave frequencies.By using a home-made cryogenic AFM/STM setup, we are able to investigate different kinds of nanostructures. First, we address the realization of a Single Electron Transistor with a Scanning Probe. Metallic nanoparticles are well known for their behavior as 0D-Quantum Dots (QD), and they display quantum confinement and charging effects, which are evidenced in our low-temperature SPM measurements as well. We demonstrate how a novel nanofabrication process can be implemented with the addition of gate electrodes sufficiently thin and leakage-proof, which in the future can provide a fine-tuning of the QD's properties and allow spatially-resolved exploration of quantum phenomena in a variety of different coupling regimes. Second, we study epitaxial graphene on SiC as a very promising 2D material for electronics. In particular, epitaxial sidewalls graphene nanoribbons (GNRs) are nanostructures of fundamental interest which can provide direct and controllable access to charge neutral graphene. Due to quantum confinement, these systems can display exceptional ballistic transport at room temperature. We implemented an innovative Scanning Tunneling Potentiometry technique allowing for nm-scale spatial resolution and μ V-scale voltage resolution. Measured local potential and resistance of single GNRs devices provide clear indication of non-diffusive transport.The physics investigated and the methods and the techniques developed in this Thesis can thus provide a new insight on several (and quite diverse) on-trend topics.

Le graphène, un feuillet élémentaire de graphite, est un matériau très étudié par la communauté scientifique car ses propriétés physiques sont nouvelles et uniques. Il apparaît comme un matériau très prometteur pour des applications technologiques. Nous présentons une étude des propriétés structurelles et électroniques du graphène épitaxial sur 6H-SiC(0001) au moyen d’un microscope STM/AFM combiné basé sur un diapason en quartz avec une pointe conductrice en Pt/Ir ou en fibre de carbone. Les pointes fabriquées par attaque électrochimique présentent un rayon d’apex de quelques nanomètres et ont été caractérisées par SEM, TEM et émission électronique par effet de champ. On s’est d’abord focalisé sur les propriétés d’un échantillon qui présente des terrasses partiellement recouvertes de graphène. Dans ce cas, l’image STM ne donne pas la topographie de la surface. Celle-ci est donnée par l’AFM en mode répulsif. Les différentes propriétés électroniques de chaque terrasse sont confirmées par des mesures spectroscopiques I=f(V). Puis, l’étude à haute résolution par FM-AFM sur une terrasse lisse a révélé la structure ondulée et périodique de la reconstruction 6√3x6√3R30° du SiC(0001) recouverte de graphène. Nous montrons que les maxima des nappes d’iso-densité locale d’états électroniques au niveau de Fermi observés dans l’image STM ne se superposent pas avec les zones associées aux maxima des nappes d’iso-densité d’états totaux (Topographie AFM). Ils apparaissent décalés de ~1 nm le long de la direction [11] de la quasi-maille 6x6 de la reconstruction 6√3x6√3R30°. Comme l’amplitude mesurée des ondulations de la surface augmente avec le gradient de force appliqué, on montre que la surface du graphène est déformée par la pointe AFM. Cette déformation qui modifie le couplage électronique entre le graphène et la couche tampon influence fortement le contraste des images STM/AFM. Les conséquences de cette déformation sur les images STM résolvant le réseau du graphène sont aussi discutées. / The graphene, a basic sheet of graphite, is a new material intensively studied by the scientific community because of its new and unique physical properties. Furthermore it appears as a very promising material for technological applications. We present a study of structural and electronic properties of epitaxial graphene on 6H-SiC(0001) using a combined STM/AFM microscope based on a quartz tuning fork with a conductive tip. The tips made from electrochemical etched Pt/Ir wire or carbon fiber have an apex radius of few nanometers and were characterized by SEM, TEM and by field electron emission. First, we focused on the properties of a sample showing terraces partially covered with graphene. In this case, the STM images do not provide the real surface topography, which is given by the AFM topography working in repulsive mode. The electronic properties of each terrace are confirmed by local spectroscopic I=f(V) measurements. Then, the high-resolution FM-AFM study on a smooth terrace revealed the corrugated structure due to the periodic 6√3x6√3R30° reconstruction of SiC (0001) covered with graphene. We show that the maxima of the local density of electronic states at the Fermi level observed in STM image do not overlap with the zones associated with maxima of total states density (AFM Topography). They appear shifted by ~1 nm along the direction [11] of the 6x6 nanomesh of the 6√3x6√3R30° reconstruction. As the corrugation amplitude of the surface increases with the applied force gradient, we show that the surface of graphene is distorted by the AFM tip. This deformation modifies the electronic coupling between the graphene and the buffer layer and strongly influences the contrast in STM/AFM images. The consequences of this deformation are also discussed in the STM images showing the lattice of graphene.

Ce travail s'inscrit dans le cadre de l'étude des systèmes physiques de basse dimension. Nous présentons une étude des propriétés électroniques locales de deux composés quasi-unidimensionnels (Q1D) à onde de densité de charge (ODC), le bronze bleu Rb0.3MoO3 et NbSe3, par microscopie à effet tunnel (STM), sous ultra-haut vide (UHV) et à basse température. Ces matériaux ont été clivés in-situ suivant leur plan naturel, (-201) pour Rb0.3MoO3 et (100) pour NbSe3. Notre étude montre que la distribution spatiale de surface des ODC peut être qualitativement différente de celle du volume et qu'une préparation in-situ des surfaces de ces composés est nécessaire pour avoir accès à leurs propriétés électroniques véritables. En surface de Rb0.3MoO3, l'ODC a été visualisée par STM. Un phénomène nouveau a été observé: la composante qb=2kf du vecteur d'onde de l'ODC n'est pas homogène en surface. Nous proposons que ces déviations résultent d'inhomogénéités de surface du vecteur de Fermi, dues à la distribution inhomogène des atomes alcalins sur la surface, après clivage du matériau. Les implications de ces résultats sont discutées. Nos mesures STM sur NbSe3 offrent une première étude cohérente des états ODC q1 et q2, et de leur distribution spatiale sur les différentes chaînes de la structure. A basse température, l'existence d'une interaction entre les ODC q1 et q2 est révélée par l'apparition d'une nouvelle superstructure. Enfin, tandis que l'ODC q1 possède en surface une température de transition (Tc) comparable à celle du volume, l'ODC q2 possède une Tc de 10 à 15K plus élevée en surface. Différents mécanismes reposant sur des effets spécifiques de surface sont discutés.

Le graphène, un feuillet élémentaire de graphite, est un matériau très étudié par la communauté scientifique car ses propriétés physiques sont nouvelles et uniques. Il apparaît comme un matériau très prometteur pour des applications technologiques. Nous présentons une étude des propriétés structurelles et électroniques du graphène épitaxial sur 6H-SiC(0001) au moyen d'un microscope STM/AFM combiné basé sur un diapason en quartz avec une pointe conductrice en Pt/Ir ou en fibre de carbone. Les pointes fabriquées par attaque électrochimique présentent un rayon d'apex de quelques nanomètres et ont été caractérisées par SEM, TEM et émission électronique par effet de champ. On s'est d'abord focalisé sur les propriétés d'un échantillon qui présente des terrasses partiellement recouvertes de graphène. Dans ce cas, l'image STM ne donne pas la topographie de la surface. Celle-ci est donnée par l'AFM en mode répulsif. Les différentes propriétés électroniques de chaque terrasse sont confirmées par des mesures spectroscopiques I=f(V). Puis, l'étude à haute résolution par FM-AFM sur une terrasse lisse a révélé la structure ondulée et périodique de la reconstruction 6√3x6√3R30° du SiC(0001) recouverte de graphène. Nous montrons que les maxima des nappes d'iso-densité locale d'états électroniques au niveau de Fermi observés dans l'image STM ne se superposent pas avec les zones associées aux maxima des nappes d'iso-densité d'états totaux (Topographie AFM). Ils apparaissent décalés de ~1 nm le long de la direction [11] de la quasi-maille 6x6 de la reconstruction 6√3x6√3R30°. Comme l'amplitude mesurée des ondulations de la surface augmente avec le gradient de force appliqué, on montre que la surface du graphène est déformée par la pointe AFM. Cette déformation qui modifie le couplage électronique entre le graphène et la couche tampon influence fortement le contraste des images STM/AFM. Les conséquences de cette déformation sur les images STM résolvant le réseau du graphène sont aussi discutées.